建立可伸缩电子产品与智能手机一样多用途

通过将可拉伸电路层堆叠和连接在一起，工程师们开发出一种方法来构建柔软，柔韧的“3D可伸缩电子设备”，可以在保持薄和小尺寸的同时包装许多功能。这项工作发表在8月13日出版的“ 自然电子学 ” 杂志上。

作为一个概念证明，由加州大学圣地亚哥分校领导的团队已经建立了一个可拉伸的电子贴片，可以像绷带一样佩戴在皮肤上，用于无线监测各种物理和电子信号，从呼吸到身体运动，温度，眼球运动，心脏和大脑活动。该装置与美元硬币一样小且厚，也可用于无线控制机器人手臂。

“我们的愿景是制造出像今天的刚性电子产品一样多功能和高性能的3D可拉伸电子产品，”资深作者，在纳斯加工大学圣地亚哥雅各布斯的纳米工程和可穿戴传感器中心教授盛旭说。工程学院。

由于他在该领域的工作，徐在2018年被评为麻省理工学院技术评论的35位35岁以下创新者。

为了将可伸缩的电子设备提升到一个新的水平，徐和他的同事正在向上而不是向外建设。“刚性电子产品可以在很小的占地面积上提供大量功能 - 它们可以很容易地制造出多达50层的电路，这些电路都是错综复杂的连接，其中大量芯片和元件密集地封装在内部。我们的目标是实现用可伸缩的电子产品，“徐说。

本研究开发的新设备包括四层互连的可拉伸柔性电路板。每层都建立在有机硅弹性体基材上，采用所谓的“岛桥”设计。每个“岛”都是一个小的，刚性的电子部件(传感器，天线，蓝牙芯片，放大器，加速度计，电阻器，电容器，电感器等)，它们连接在弹性体上。这些岛屿由弹性“桥”连接而成，这些“桥”由薄的弹簧形铜线制成，允许电路在不影响电子功能的情况下拉伸，弯曲和扭曲。

建立联系

这项工作克服了在3D中构建可拉伸电子设备的技术障碍。“问题不在于堆叠层。它在它们之间建立电气连接，因此它们可以相互通信，”Xu说。这些电连接，称为垂直互连访问或VIA，基本上是小的导电孔，穿过电路上的不同层。传统上使用光刻和蚀刻制造VIA。虽然这些方法在刚性电子基板上工作良好，但它们不适用于可拉伸弹性体。

所以徐和他的同事们转向激光器。他们首先将硅氧烷弹性体与黑色有机染料混合，以便它可以吸收激光束的能量。然后他们在每层弹性体上制作电路，将它们堆叠起来，然后用激光束击中某些点，以创建VIA。之后，研究人员用导电材料填充VIA，将各层电气连接在一起。Xu说，使用激光器的好处是它们在工业中得到广泛应用，因此转移这种技术的障碍很小。

多功能'智能绷带'

该团队构建了一个概念验证3D可伸缩电子设备，他们将其称为“智能绷带”。用户可以将其粘在身体的不同部位上，以无线监控不同的电信号。当佩戴在胸部或胃部时，它会像心电图(ECG)一样记录心脏信号。在额头上，它记录大脑信号，如迷你脑电图传感器，当放置在头部侧面时，它记录眼球运动。当佩戴在前臂上时，它记录肌肉活动并且还可以用于远程控制机器人手臂。智能绷带还可监测呼吸，皮肤温度和身体运动。

“我们没有特定的最终用途将所有这些功能结合在一起，但重点是我们可以将所有这些不同的传感功能整合在同一个小绷带上，”共同第一作者Zhenlong Huang说，他将这项工作作为访问博士 徐的研究小组的学生。

研究人员并没有因数量而牺牲质量。“这个设备就像'所有行业的主人'。我们选择了高质量，强大的子组件 - 我们在市场上可以找到的最好的应变传感器，最灵敏的加速度计，最可靠的ECG传感器，高质量的蓝牙等等 - 并开发了一种巧妙的方法将所有这些集成到一个可扩展的设备，“Xu的研究小组在加州大学圣地亚哥分校的纳米工程研究生杨丽说。

到目前为止，智能绷带可以使用超过六个月而不会降低性能，拉伸性或灵活性。它可以与10米外的智能手机或笔记本电脑进行无线通信。该设备总共运行约35.6毫瓦，相当于7个激光指示器的功率。